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宇宙到底有多大?就算人類1秒飛1光年,要抵達邊緣也絕不可能
2023/11/24

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現代科學認為我們的地球誕生于46億年前,也就是太陽系誕生初期,在大約50億年前,太陽系一片混亂,太陽誕生以后吸收了周圍大量的物質,所以太陽的質量占到了太陽系總質量的百分之99.86,剩下的八大行星和其它物質占到了太陽系總質量的百分之0.14,從占比上我們就能夠看出,太陽的質量是非常大的,根據科學家的研究得出,太陽系一共有八大行星,它們分別是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星,在海王星的外面還有一顆冥王星,曾經冥王星也屬于一顆行星,但是後來科學家認為冥王星的體積和質量都太小了,于是將它踢出了行星的行列,在太陽系的八大行星當中,地球是唯一一顆誕生了生命的星球,生命的出現給地球增添了很多色彩,尤其是人類出現以后,解開了地球上很多的奧秘。

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通過科學家的研究得出,光速是宇宙中最快的飛行速度,光速大約是每秒30萬公里,這個速度已經超出了人類的想象,要知道現在人類的飛行速度連光速的百分之一都達不到,如果我們能夠按照光速來飛行,從地球到月球只需要2秒左右,看到這里,相信很多朋友都會產生一個疑問,就是光速如此之快,人類是如何將光速計算出來的?在17世紀之前,人類一直都認為速度是無限的,開普勒和笛卡爾也對此深信不疑,當時伽利略卻提出了不同的觀點,伽利略認為,光的速度雖然很快,但也是有限的,并且是能夠測量出來的,為了證實自己的猜想,1607年,伽利略設計了世界上第一個測量光速的實驗。他讓A、B兩個人分別站在相距1.5千米的兩座山的山頂,想利用兩個山頭看到燈光的時間差來測算光速。但由于間隔的時間太短了,根本無法精確測出。

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最終,伽利略的實驗以失敗告終,但他卻開啟了人類測量光速的真理之門,天文學家羅默是繼伽利略之后第一個測量光速的人,在1676年的時候,丹麥科學家羅默對木星的這顆衛星進行了長期觀察,他發現實際看到衛星蝕的時間都比推算的時間要晚了十幾分鐘,他認為,這是因為地球和木星的距離在逐漸增大,所以光傳到地球的時間也相應延長了,所以羅默推斷,光的速度是有限的,他還算出,光走過和地球軌道半徑等長的距離所需要的時間大約是11分鐘,羅默預言,原本應該在1676年11月9日上午5時25分45秒發生的木衛蝕將推遲10分鐘。最終結果驗證了羅默的猜測,當時計算出來的光速大約是每秒21萬公里,不過這個光速數值明顯和我們現在的光速數值是有差距的。

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後來邁克爾遜從1879年開始就從事光速的測量研究,直到1926年持續了50年,他總結了前人的不足,設計出了旋轉八面棱鏡法來測量光速,在「旋轉八面棱鏡法」中,邁克爾遜用一個正八面鋼制棱鏡代替了旋轉鏡法中的旋轉平面鏡,從而延長了光的路線;用精確測定的棱鏡轉速代替了齒輪法中的齒輪轉速,從而減小了時間測量的誤差。在這個實驗中,邁克爾遜計算出光的速度是299796km/s,這在當時被認為是最精確的記錄,而邁克爾遜也因此成為了1907年諾貝爾物理學獎的獲得者。目前光速大約是每秒30萬公里,而這個數值是不變的,為什麼光速能夠保持不變呢?在1887年,邁克爾遜和莫雷在美國克里夫蘭的卡思應用科學學校進行了光速實驗。

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通過實驗他們發現光的一個奇特的性質,無論測量者發生什麼變化,或者光源發生什麼變化,光速始終保持不變,當時愛因斯坦表示:以太是根本不存在的,光速相對于任何參考系都是不變的,根據愛因斯坦的理論得出,如果在一個參考系中,一個事件的傳遞速度超過了光速就會導致觀察者先看到結果,然后才看到原因。所以超光速的運動會違背因果律,畢竟在這個世界上,不可能有絕對同時發生的兩件事情。這樣我們就能完美的解釋超光速現象了,宇宙膨脹的速度遠大于光速,但是空間本身的膨脹是不攜帶信息的,量子糾纏效應也是。光速不可超越,具有一定的前提,超光速也并非不存在。速度是物體在空間中隨著時間移動的度量單位,光速也一樣,愛因斯坦的時空觀發現空間和時間可以協同工作,相互變化,以保證光速的恒定不變!

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所以不管光源移動多快,當你測量光速時,空間和時間相互協調,使光速總保持在30萬公里每秒!為了保證光的絕對性質,時間不是絕對不變的,空間也不是絕對不變的,并且空間和時間會以一種特殊的機制相互協調,相互影響,相互配合!這一切都是為了保證光速恒定,這是自然的法則!雖然對于我們來說光速非常快,但是面對浩瀚的宇宙,光速依然顯得很慢,距離我們最近的恒星是比鄰星,大約有4.2光年,以光速飛行,從地球到達比鄰星也需要4年左右的時間,從地球到銀河系中心大約需要2.6萬年,從地球到可觀測宇宙的邊緣大約需要465億年,看到這些數據之后,你還會覺得光速很快嗎?如果說我們乘坐一艘每秒一光年的飛船,是否能夠抵達宇宙的邊緣。

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假設我們的飛船從地球出發,以每秒一光年的速度向外飛行,那麼只需要一秒鐘的時間,我們就能夠到達太陽系的邊緣,太陽系的邊緣就是奧爾特星云,曾經在46年前,科學家向太陽系外發射了旅行者1號和2號探測器,發射這兩個探測器的主要目的就是讓它們飛出太陽系,探索太陽系之外的奧秘,不過這麼多年過去了,旅行者1號和2號探測器還沒有飛出太陽系,科學家經過計算得出,按照旅行者1號和2號的飛行速度,想要完全飛出太陽系,至少需要上萬年的時間,對于人類來說,上萬年的時間實在是太漫長了,所以人類的飛行速度和光速相比還差的很遠,只要我們能夠飛出奧爾特星云,那麼人類就算是飛出了太陽系。在這里,我們能夠看到一些太陽系最遙遠的天體。

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如果我們繼續航行,經過7小時之后,我們就能夠達到銀河系的中心,銀河系的直徑達到了10萬光年,也就是說,以光速飛行,從一端到另一端需要10萬年左右的時間,在銀河系的中心區域,有一顆超大質量的黑洞,這個黑洞被稱為是人馬座A*,它是銀河系的引力中心,也是銀河系最亮的射電源,在黑洞的周圍,有著密集的恒星和星團,它們正在以非常快的速度圍繞黑洞旋轉,并且形成了一個巨大的旋轉盤,整個銀河系都在圍繞這顆黑洞轉動,這說明這顆黑洞的引力是非常巨大的,在銀河系中,大約存在1000億到4000億顆恒星,400億到1000億顆行星,在如此多的行星和恒星當中,地球只是其中一顆。而且我們的太陽系還處于銀河系的貧瘠區域,為什麼這麼說呢?

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雖然銀河系的天體數量很多,但是它們的分布并不是均勻的,在距離銀河系中心1秒差距的核心區域,恒星的密度就達到了每立方光年28.9萬顆,當距離增加在40秒的差距時,恒星的密度就下降到了288顆每立方光年,當距離增加到100秒差距時,恒星的密度就只有2.9顆立方光年,在太陽系的這片區域內,恒星的密度下降到了0.004顆立方光年,這說明太陽系周圍的天體數量是非常少的,不過對于地球生命來說這也是有好處的。因為在宇宙中,超新星沖擊波、伽瑪射線暴等,都是非常危險的,如果他們擊中地球,那麼將會給地球帶來毀滅性的打擊。所以太陽系的這個位置也是很不錯的,飛出銀河系,我們基本上就到達了本星系群,本星系群是由50多個星系組成的一個星系團,它的直徑大約是1000萬光年。

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本星系群的主要成員有兩個,一個是我們熟知的銀河系,還有一個是仙女座星系,這兩個星系之間大約存在220萬光年,在這兩個星系之間,還有一些小型星系,比如說小麥哲倫云和三角洲星系等等,而最讓人關注的就是銀河系和仙女座星系,根據科學家的研究發現,這兩個星系在37億年之后將會相撞在一起,不過有一些科學家發現,這兩個星系已經有重合的跡象了,這是因為星系除了包含行星和恒星,在星系的外圍,還有大量的氣體云物質,這些組成了星系的星暈,它們結構稀疏面積廣大,而仙女座的星暈竟然高達200萬光年,銀河系的星暈雖然小些,局部也達到100w光年,可以說,星女系和銀河系在50萬光年內,兩個星系的星暈已經發生碰撞。

其實這也是星系演化的必經之路。

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就拿我們的家園銀河系來說,它也不是一開始就這麼大,在它的發展過程中,吞并了很多相鄰的其他星系,才日漸有了今天的規模,成了本星系群第二大的星系,直到現在,圍繞銀河系旋轉的衛星星系人馬座星系,每時每刻都會掉落一些恒星,被銀河系吃掉。在不久的未來,銀河系也會逐漸吞噬掉人馬座星系和麥哲倫星系,成為一個規模更大的星系。不過這兩個星系碰撞對于我們來說并不存在危險,因為恒星之間的距離非常遙遠,即使兩個星系融合在一起,那麼恒星之間的距離也是很遠的,當我們飛出本星系群之后,我們就來到了室女座超星系團。室女座超星系團的直徑大約是1.2億光年,里面包含了20000個星系,這僅僅是宇宙中大小和星系數量中等的超星系團。

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它其中包含了100個星系,4.7萬個星系,我們的銀河系和它相比,簡直就是小巫見大巫,不要以為室女座超星系團就是宇宙中最大的結構了,比室女座超星系團更大的宇宙結構是拉尼亞凱亞超星系團,拉尼亞凱亞超星系團里面存在超過10萬個星系,而超星系團本身的直徑能夠達到5.2億光年,不僅如此拉尼亞凱亞超星系團本身的質量也是非常驚人的,如果將拉尼亞凱亞超星系團和銀河系相比,那麼它的質量將是銀河系的10萬倍,在拉尼亞凱亞超星系團的內部,存在著超過300到500個星系團以及星系群,對于人類來說,拉尼亞凱亞超星系團的浩瀚我們根本無法想象。根據韋伯望遠鏡的觀測結果來看,拉尼亞凱亞超星系團這種結構,是宇宙中若干個宇宙長城之間的節點。

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而宇宙長城構成的宇宙纖維結構,就是可觀測宇宙內最大的基本結構,所有的星系都在纖維上面緩慢的運動,至于宇宙中的空洞,可能隱藏著宇宙中的奧秘。在拉尼亞凱亞超星系團外面,還存在更大的星系團結構,如果說我們一直以光速在宇宙中飛行下去,是不是就能夠達到宇宙的邊緣?目前人類能夠觀測到的宇宙直徑達到了930億光年,而這僅僅是我們能夠看到的宇宙直徑,并不是宇宙的全部范圍,宇宙或許比我們想象的還要大,宇宙到底有多大?目前科學家也無法給出準確的答案,不過現在科學家已經知道,我們的宇宙正在不斷的膨脹當中,一直以來科學家都認為我們的宇宙是靜態的,這個想法一直持續到1917年,當時愛因斯坦利用廣義相對論提出了靜態宇宙模型,最終得出了一個叫做愛因斯坦場方程。

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通過這個方程,他最終計算出一個有限、無界、靜態的宇宙模型,愛因斯坦將宇宙理解為靜態的原因實際上并不是完全的遵守他自己的廣義相對論算出來的,而他本人跟隨著前人的觀點認為宇宙的存在必然是靜態的,畢竟在那個時候人類眼中的恒星是不會動的,愛因斯坦當時為了使他自己通過廣義相對論演變而來的愛因斯坦場方程計算出來的宇宙成為一個靜態宇宙,他就在這個方程里面加入了一個修正項進去,而這個修正項名為宇宙項。加入修正項后,他的愛因斯坦場方程計算出來的宇宙變得安靜了,當時愛因斯坦認為自己已經完美的解決了靜態宇宙的秘密,後來宇宙膨脹理論出現之后,徹底推翻了愛因斯坦的靜態宇宙模型。

很多人都認為哈勃是最早發現宇宙膨脹的科學家,其實勒梅特要比哈勃發現宇宙膨脹還要早,勒梅特是比利時天主教神父、天文學家及天主教魯汶大學物理學教授。

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他提出了宇宙膨脹的理論,其貢獻在很大程度上被張冠李戴到了美國天文學家埃德溫•哈勃的頭上。他是第一位推導出「哈勃定律」的人,率先估算了「哈勃常數」的大小,其論文發表于1927年,比哈勃的論文早兩年。勒梅特還提出了宇宙起源的大爆炸(big bang)理論,他本人稱之為「太古原子(primeval atom)假說」或「宇宙之卵(cosmic egg)假說」。當年勒梅特發現了愛因斯坦廣義相對論方程的一個嚴格解,并且就此推導出後來被稱為是哈勃定律的方程,即星系退行的速度正比于它和我們之間的距離,而相應的比例系數,就是著名的哈勃常數。

當時他利用維斯托.斯萊弗觀察的星系退行速度數據和哈勃發表的星系距離數據,得出兩者的比例大約等于每秒每百萬秒差距625千米,他在論文中指出,觀測數據的精度不足以驗證他所發現的星系退行速度與距離之間的線性正比關系,兩年之后,哈勃發表了題為「河外星云中距離與徑向速度之間的關系」

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的論文,哈勃利用更加精確的觀測數據確立了哈勃定律的有效性,并計算出哈勃常數的數值,大約是每秒每百萬差距500千米,1912年羅威爾天文台科學家維斯托.斯里弗獲得了第一批漩渦星云和之后被識別為其它星系的光譜,斯里弗發現,大部分漩渦星云光譜的譜線向長波方向位移,它們的紅移意味著正在遠離我們,在1929年,哈勃發表了里程碑式的論文,描述了他發現的初步結果。

哈勃發現星系的紅移隨著距離的增加而顯著增加,所有的星系看上去都遠離我們,越遠的速度越快,這一觀測結果暗示了可觀測宇宙的體積正在膨脹,這就是哈勃定律,這個定律指出,星系的移動速度和它們到地球的距離成正比,這一發現表面宇宙在膨脹,而不是靜止不變的。當時遠在德國的愛因斯坦聽到這個消息之后,馬上前往美國,親自確認了這個事實,并因此而修正了廣義相對論中的宇宙常數項,宇宙膨脹的理論不僅僅打破了人類的傳統認知,而且也讓科學家對宇宙有了新的認識,在2018年10月國際天文聯合會決定將哈勃定律更名為哈勃–勒梅特定律,以紀念更早發現宇宙膨脹的比利時天文學家喬治·勒梅特。

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其實宇宙膨脹對于人類來說并不是一件好消息。

如果說我們的宇宙一直膨脹下去,那麼我們或許永遠都無法找到宇宙的邊緣,目前宇宙膨脹的速度已經遠遠超過了光速,科學家認為,在宇宙大爆炸的一瞬間,宇宙經歷了一個快速膨脹階段,這個階段叫做暴漲,暴漲的原因可能是因為暗物質所產生的,暗物質是一種看不見、摸不著的神秘物質,科學家認為,在我們的宇宙中應該存在這樣這種物質,它不會和其它任何物質發生化學反應,所以我們看不見也摸不著它,但是它能夠釋放出一種巨大的能量,這股能量會推動宇宙不斷的膨脹,暗能量占據了宇宙中大約70%的能量密度,是宇宙膨脹的主要驅動力。最早提出暗物質可能存在的是天文學家雅克布斯·卡普坦(Jacobus Kapteyn),他于1922年提出可以通過研究天體系統的動力學性質,間接推斷出星體周圍可能存在的不可見物質。

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1933年,天體物理學家福瑞茲·茲威基(Fritz Zwicky)利用光譜紅移測量了科瑪星系團(Coma Cluster)中各個星系相對于星系團的運動速度,結合維里定理(Viral Theory),茲威基發現星系團中星系的速度彌散度遠遠高于理論預言,僅靠星系團中可見星系的質量產生的引力是無法將其束縛在星系團內的,因此星系團中應該存在大量的不可見物質,即暗物質,其質量至少是可見星系的百倍以上。辛克萊爾·史密斯(Sinclair Smith)在1936年對室女星系團(Virgo Cluster)的觀測也支持這一結論。 不過這一突破性的結論在當時未能引起學術界的重視。為了尋找暗物質,很多國家都建立了自己的實驗基地,目的就是捕捉宇宙中的暗物質,我國在四川也建立了自己的暗物質基地。

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但是這麼多年過去了,科學家并沒有在宇宙中發現暗物質,這說明暗物質比我們想象的還要神秘,既然光速都無法到達宇宙的邊緣,那麼是不是人類永遠都無法飛到宇宙的盡頭?為此科學家們也想了很多辦法,科學家認為,蟲洞穿梭是一種能夠快速到達宇宙邊緣的方法,蟲洞是基于廣義相對論提出的一個概念,指的是當時空彎曲到極限程度時,可以將兩個原本距離極其遙遠的點連接在一起,實現宇宙穿梭。蟲洞又常被叫做時空洞,實際上時空洞是更恰當的名字,奧地利物理學家路德維希·弗萊姆于1916年首次提出蟲洞的概念,到了1930年的時候,愛因斯坦及納森·羅森在研究引力場方程時認為透過蟲洞可以做瞬時的空間轉移或者做時間旅行。于是愛因斯坦在引力場方程中系統的完善了該理論,天文學上又因此將蟲洞稱之為愛因斯坦-羅森橋。

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一般來說蟲洞就是宇宙中可能存在的連接兩個不同時空的狹窄隧道,或者說是連接宇宙遙遠區域間的時空細管,它是由黑洞等星體引力場對時空的扭曲作用達到了極點產生的,就好像將一張紙扎個窟窿,那麼這個窟窿就可以連接紙的兩面。蟲洞被認為是有時空的扭曲作用形成的,我們也可以這樣理解,就是不斷攪動水缸里的水,就會在水面中間產生一個漩渦,本來水缸中下部的水很難接觸到水面,但是由于漩渦的存在,那里的事物也可以接觸到漩渦中水的表面。而我們如果往水缸中投一個石子的話,本來石子需要透過水面漸漸沉入缸底,但是如果把石子投入漩渦中的話,它就可以直接到達缸底了。所以蟲洞被科學家看作是能夠穿越時空的隧道。

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如果說科學家能夠找到蟲洞,那麼我們飛到宇宙的邊緣也是有可能的,但是到目前為止,科學家在宇宙中只發現了黑洞,并沒有發現白洞和蟲洞,對于人類來說,蟲洞的確是非常令人著迷的,這是目前理論中最有可能幫助人類實現星際穿越的一種途徑。在被光速所限制的宇宙中,如果能夠利用蟲洞,那麼人類的腳步就可以遍及宇宙的各個角落,探索宇宙的秘密。而蟲洞的意義,遠不止于這一點。雖然人類現在作為地球上最有智慧的生命,人類的科技在不斷的進步和發展,但是人類對宇宙的了解還是非常少的,對于宇宙的本質,科學家現在都不清楚,宇宙到底是不是由大爆炸所產生的?目前科學家也在積極的研究和探索當中。

小編認為,宇宙遠比我們想象的還要神秘,我們所看到的宇宙,可能只是冰山一角,真正的宇宙是什麼樣子的?我們并不知道,不過人類作為地球上最有智慧的生命,從誕生以后,人類就開始不斷的研究和探索世界的奧秘,人類能夠在短短幾千年的時間內,站到地球食物鏈的頂端,這說明人類科技發展的速度很快,只要人類能夠堅持不懈的努力下去,未來隨著人類科技的進步,人類一定能夠解開宇宙的奧秘,小編希望人類能夠早日實現自己的夢想,對此,大家有什麼想說的嗎?

嚴禁無授權轉載,違者將面臨法律追究。

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